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FUNDAMENTOS DE COMPUTADORES
ENTRADA/SALIDA
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FUNDAMENTOS DE COMPUTADORES
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Presentación 4
Introducción 5
El controlador I 7
El controlador II 8
Técnicas aplicadas en operaciones de E/S 10
Mapa de memoria 12
E/S controlada por programa 14
E/S controlada por interrupciones 15
Funcionamiento de la E/S por interrupción 15
DMA: acceso directo a memoria I 16
DMA: acceso directo a memoria II 17
El controlador de DMA 20
Procesadores de E/S I 21
Procesadores de E/S II 22
Resumen 24
Índice
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Presentación
En este tema veremos el último, aunque no por ello el menos importante, componente en que Von
Neumann dividió su computador. Nada más y nada menos que la permitirá la comunicación
hombre-máquina o máquina-máquina. Este componente es el controlador de entrada/salida.
Para ello, estudiaremos:
La definición de controlador, para qué sirve y cuáles son sus funciones.
Técnicas aplicadas en operaciones de E/S. Cuáles son las técnicas con las que un
programa puede comunicarse con un periférico. Recordemos que aunque el proceso de
comunicación es procesador-periférico, en realidad es programa-periférico pues el
procesador simplemente ejecuta programas, siendo el programa el que tiene las
necesidades de comunicación, no el procesador.
Mapa de memoria común frente a independiente. Se refiere a cómo se ven los periféricos,
cuál es la dirección para comunicarse con ellos.
Ejemplo de controlador 1: E/S controlada por programa.
Ejemplo de controlador 2: E/S controlada por interrupciones.
Ejemplo de controlador 3: Acceso directo a memoria (DMA).
Ejemplo de controlador 4: Procesadores de E/S .
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Introducción
A grandes rasgos, entrada/salida es todo componente que Von Neumann no ha descrito en su
estructura básica de un computador. Es decir, cualquier componente que no sea memoria,
unidad de control o buses, es de entrada/salida (a partir de ahora E/S). Por tanto, la E/S es un
componente que permite intercambiar información entre la computadora y el mundo exterior.
Como curiosidad, cabe destacar que los
periféricos aumentan muy poco su
velocidad con respecto al aumento anual
que sufren los microprocesadores y los
computadores en general. Esta
diferencia de velocidades, en la mayor
cantidad de los casos, se debe a que los
dispositivos de E/S suelen tener
componentes móviles, o elementos físicos, que no permiten aumentar el movimiento de datos tan
rápido como sería deseable.
Debido a esta diferencia de velocidades y tecnologías, con los dispositivos de E/S se pretende
que los tiempos de espera por parte del microprocesador sean los menores posibles, lo que se
consigue solapando, lo más posible, los tiempos de trabajo de la E/S y la unidad de control.
La mayor parte de los dispositivos de E/S, son vistos por el microprocesador como una memoria,
una memoria especial que sirve como intercambio de información entre el periférico y el
procesador. Como los periféricos manejan información muy lentamente, es frecuente que la
unidad de E/S disponga de una memoria auxiliar donde guardar la información del periférico.
Por ejemplo, si comparamos el tiempo que tarda una impresora en escribir un carácter con el
tiempo que el procesador determina el carácter a enviar, comprobaremos que la impresora tarda
mucho en escribirlo. Por tanto, parece coherente que la impresora tenga una memoria intermedia
en la que pueda almacenar una palabra, línea o incluso página, para que el procesador no este
enviando carácter a carácter.
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El controlador I
Debido a la gran cantidad y variedad de periféricos existentes hoy en día, cada uno con un
funcionamiento diferente, surge la necesidad de colocar un dispositivo hardware entre el
computador y los periféricos. Este componente se conoce como controlador y su función
principal es descargar al procesador de la tarea de controlar el trasvase de información entre el
periférico y la memoria.
Al igual que con cualquier otro componente del computador, la comunicación entre
microprocesador y periféricos se realiza a través de los buses.
Para que un programa pueda comunicarse con ellos, los controladores deben realizar funciones
de control y sincronización de la transferencia de datos desde el procesador y la memoria
principal a los periféricos, de establecimiento del camino de comunicación entre los recursos
internos y los periféricos, de detección y gestión de errores y de almacenamiento temporal de
datos.
Tal como puedes comprobar en la siguiente imagen, un computador no tiene por qué tener un
único controlador genérico, sino que puede tener varios controladores para periféricos de
diferentes familias.
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El controlador II
Para realizar estas funciones, el controlador dispone internamente de una serie de recursos entre
los que podemos destacar los siguientes.
Lógica de control Se encarga de activar y controlar las funciones que llevaa cabo ese controlador.
Registro de estadoAlmacena información sobre cómo se ha realizado eltrasvase de información y sobre los posibles fallos encaso de haberse producido alguno.
Registro de datos Almacena la información que se maneja en cadatransferencia elemental.
Interfaz al periféricoSoporta el intercambio de datos con el transductor delperiférico, así como la generación y detección deseñales de control y estado.
Fijémonos en que esta estructura es muy parecida al de la interfaz que permitía unir dos buses
diferentes, ya que esa función es parte del cometido de un controlador de E/S: ajustar
velocidades de reloj, sincronizar señales, ajustar tensiones de funcionamiento, detectar errores,
priorizar el uso, etc.
El controlador de un módulo de E/S permite que el procesador vea a una amplia gama de
dispositivos de forma simplificada. Ante el gran espectro de posibilidades que se pueden dar
según los diferentes dispositivos, el módulo debe ocultar los detalles de temporización, formatos y
electrónica de los dispositivos externos, para que el procesador los maneje todos, de manera
similar, independientemente del tipo y protocolos que usen internamente.
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En función de la bibliografía utilizada, podemos encontrar que a los controladores de E/S se los
denomina como canales de E/S o procesadores de E/S. En cualquier caso, no importa como se
denomine al dispositivo encargado de hacer de puente entre los buses del sistema y los
periféricos, pero por norma general, controlador es el más extendido, dejando el término de canal
a los microcomputadores y procesador a los canales que usan los supercomputadores para las
comunicaciones internas.
Recursos internos de un controlador
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Técnicas aplicadas en operaciones de E/S
Recordemos que la E/S es lenta. Por ese motivo, una técnica muy extendida es la de solapar las
operaciones de entrada/salida con otras actividades, de manera que la unidad de control se
puede liberar de ciertas tareas de poca importancia.
En función del grado de implicación que tenga la unidad de control con las operaciones de E/S,
según delegue más trabajo en el controlador o menos, existen cuatro técnicas fundamentales
para realizar las operaciones de E/S.
E/S controladas porprograma
La unidad de control controla íntegramente la operación
de E/S, impidiendo cualquier tipo de solapamiento en el
trabajo de ambos componentes.
Ejemplo: un módem conectado a un puerto serie.
E/S controladas porinterrupción
Parte del proceso de E/S corre a cargo del controlador
pudiendo trabajar en paralelo al procesador durante
dicho periodo. Este método permite que la UCP, una vez
que ha indicado la operación al controlador, continúe
con su actividad normal y solo dedique tiempos de
atención cada vez que el periférico lo requiera.
Ejemplo: el teclado o el ratón.
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Acceso directo a memoria(DMA)
La mayor parte de la operación de E/S la soporta el
controlador, existiendo una simultaneidad alta. Los
controladores tienen cierto grado de inteligencia para
controlar íntegramente la transferencia de información
entre periféricos y memoria principal.
Ejemplo: un disco duro externo.
Procesador de E/Sespecializado
Todo el proceso de E/S corre a cargo del controlador,
que alcanza tal grado de complejidad que actúa como
otro procesador dedicado. El paralelismo entre el
procesador y la operación de E/S es total.
Ejemplo: una tarjeta de red o una tarjeta gráfica.
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Mapa de memoria
Los controladores de E/S consiguen que todos los dispositivos tengan una interfaz de alto nivel
común, por lo que el programador ve esos dispositivos como direcciones de memoria, ficheros,
etc., que permiten la comunicación con ellos a través de operaciones de entrada/salida.
Por tanto, los dispositivos tienen asignado un grupo de direcciones de memoria a las que
accedemos para poder comunicar datos a esos dispositivos. Según el formato de estas
direcciones de memoria, vamos a tener dos procedimientos:
Entrada/salida con mapa de memoria común.
Entrada/salida con mapa de memoria independiente.
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Funcionamiento: E/S con mapa de memoria independiente
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E/S controlada por programa
Es el controlador con menor inteligencia. Por tanto, la
unidad de control controla íntegramente la operación de
E/S, impidiendo cualquier tipo de solapamiento en el
trabajo de ambos componentes.
El procesador controla todo el proceso de la operación
de E/S, enviando al controlador las diferentes órdenes
para su correcta ejecución.
Por tanto, es un programa (el programa de usuario) el
encargado de generar las instrucciones que soportan
las operaciones de E/S, teniendo que controlar todas
las posibles ocurrencias y errores que se pueden
producir durante el acceso al dispositivo. La unidad de
control interpreta dichas instrucciones y envía al
controlador las órdenes de control, lectura y escritura.
Para poder controlar un dispositivo por este método, el software (nuestra aplicación) tiene que
implementar el algoritmo mostrado en la figura y que siga los siguientes pasos:
La Unidad Central de Procesos inicia la operación.
Explora el estado del periférico.
Gobierna la transferencia.
Detecta posibles errores.
Finaliza el proceso.
La E/S controlada por programa tiene un grave inconveniente: consume demasiado tiempo de
CPU.
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E/S controlada por interrupciones
La S/E por interrupción, permite solucionar en parte el problema de
la E/S por programa, que es el uso de Unidad de Control.
Funcionamiento de la E/S por interrupción
Descripción de una interrupción
Con la ayuda de las interrupciones, el proceso puede desligarse de
llevar un control exhaustivo sobre el proceso de E/S.
El mecanismo para ello es:
Iniciar el proceso de E/S.
Dar una colección parcial de órdenes y de datos que debe
realizar el dispositivo.
Desligarse del control, con la esperanza de que el propio
controlador de E/S generará una interrupción para indicar un evento.
Este evento puede ser de dos tipos:
Los datos pendientes a procesar se han terminado, por lo que se requieren más datos.
El dispositivo de E/S ha generado un error, por lo que necesita nuevas órdenes de control.
En ambos casos, la interrupción generada conlleva una atención por parte del procesador, que
actuará en consecuencia.
Con este sistema se consigue un solapamiento de la E/S con otras actividades que el procesador
puede realizar, necesitándose la atención del mismo solo durante los tiempos de interrupción.
Liberándose así sustancialmente el consumo de procesador durante la tarea de E/S.
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DMA: acceso directo a memoria I
Cuando el periférico genera muchas atenciones la comunicación por interrupciones es óptima,
pero en cada atención se transmite una cantidad de datos reducida. Esto ocurre, por ejemplo,
con el teclado o el ratón, los cuales generan una interrupción cada vez que se pulsa una tecla o
se mueve el ratón.
Cuando la cantidad de datos a mover es muy grande, como por ejemplo un escáner o una
impresora, la cantidad de interrupciones generadas sería muy elevada, por lo que la cantidad de
veces que el microprocesador es interrumpido lo sería también. Hay que entender que atender
una interrupción no es una tarea simple, sino que conlleva tiempo en el backup y restore del
estado actual del microprocesador.
Para los dispositivos en los que existe una gran cantidad de movimiento de datos, la técnica más
utilizada es el acceso directo a memoria (DMA), ya que, con este modo, se utiliza el propio
controlador del periférico para realizar la transferencia de información entre la memoria principal
y el periférico, sin que la intervención del procesador sea necesaria. Es decir, el movimiento de
datos se realiza de forma transparente para el procesador, siendo directamente el periférico de
E/S el que escribe-lee los datos en memoria.
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DMA: acceso directo a memoria II
Este método implica muchas mejoras en la arquitectura de la memoria o los buses, ya que el
acceso directo a memoria por parte del dispositivo de E/S podría entorpecer el normal
funcionamiento del microprocesador si los buses o incluso la memoria estuvieran ocupados
dando servicio a otros periféricos provocando que el microprocesador tuviera que esperar. Es
importante evitar esta situación por todos los medios, ya que no ganaríamos nada contra otros
métodos como el de controlado por programa.
Para solucionar el problema de la memoria, una de las técnicas más utilizadas radica en el
empleo de una memoria principal multipuerta que posee varias puertas de acceso, una de las
cuales se dedica al microprocesador y el resto a los controladores de los periféricos.
Acceso directo a memoria
Seguiría pendiente el problema de acceso a los buses. En este caso, la opción de la duplicidad
sería una posible alternativa, pero complicaría en exceso toda la arquitectura. Además, hay otras
opciones más baratas y simples, como las siguientes.
Por ráfagas
El controlador de DMA no libera los buses hasta que noacaba la transferencia de un bloque completo deinformación. La ventaja de este sistema radica en unaelevada velocidad de transferencia de información. Elinconveniente es que el procesador permanece inactivodurante largos periodos de tiempo.
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Por robo de ciclo
Cuando el controlador de DMA dispone de datos para
transferir, toma el control de los buses durante un ciclo
de procesador, en el que transmite una palabra.
Luego cede los buses a la unidad de control, que
continua con su actividad normal hasta que nuevamente
el controlador de DMA roba otro ciclo de unidad de
control y transmite otra palabra.
Con este procedimiento, los buses se reparten a lo largo
del tiempo entre el controlador de DMA y el procesador.
Así la unidad de control mantiene su actividad, aunque a
menor velocidad, evitando la inactividad por periodos
largos de tiempo.
DMA transparente
Es similar al modelo anterior, pero el controlador de
DMA roba los buses a la unidad de control durante los
ciclos en los que ella no los utiliza.
Si, durante un ciclo, la unidad de control se dedica a
decodificar o interpretar el código de una instrucción, no
usa los buses y el controlador de DMA aprovecha la
situación para transferir una palabra.
Con este sistema no se rebaja la velocidad de
procesamiento de la unidad de control y se llevan a cabo
operaciones de E/S. El principal inconveniente es la
reducida velocidad que se alcanza en la transferencia de
información.
Por demanda
Cuando el Controlador de DMA dispone de datos atransferir, solicita el control de los buses y los mantieneen su poder hasta que finaliza el envío de toda lainformación.
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Acceso directo a memoria
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El controlador de DMA
Los controladores de DMA se encargan de controlar los buses de direcciones, de datos y de
control para poder realizar los accesos a la memoria principal.
Estructura del controlador del DMA
Pero, ¿Cómo funcionan los controladores de DMA?
El microprocesador inicia la operación de E/S indicando la tarea a realizar y asignando un
bloque de memoria para que sea utilizado por el controlador de DMA, que se desentiende
del resto de la operación.
El controlador inicia la operación de E/S según el modo de acceso a los buses y a la
memoria que soporte.
El controlador solicita al procesador la liberación de los buses.
Cuando esto ocurre, el controlador de DMA toma el control de los mismos.
Utiliza el bus de direcciones para enviar las direcciones de memoria a las que se quiere
acceder.
Por el bus de control se indica si la operación es de lectura o de escritura.
Por el bus de datos se trasfiere la información.
Repite estos puntos tantas veces como necesite hasta que todos los datos están
transmitidos.
Terminada la operación, genera una interrupción para informar al procesador que la
operación de E/S está terminada.
En cualquier punto de la operación se puede generar un error. En tal caso, el controlador
de DMA también genera una interrupción, pero para informar de errores.
Cabe destacar que los controladores de DMA también usan interrupciones, ya que al menos
generan una interrupción para indicar el fin de operación e incluso, en otros casos, pueden
generar más de una interrupción para avisar de problemas y otras circunstancias.
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Procesadores de E/S I
Solo queda por ver un grupo de controladores de entrada/salida: los procesadores de E/S.
Estos controladores alcanzan tal grado de complejidad que se transforman en verdaderos
procesadores capaces de interpretar y ejecutar un pequeño repertorio de instrucciones para
manipular las operaciones de E/S.
Cuando hay que realizar un programa que atienda las E/S, el procesador principal encarga al
procesador de E/S (PE/S) que lo desarrolle, trabajando ambos en paralelo. El PE/S solo se
comunica con el procesador principal al terminar el programa de E/S mediante la petición de
interrupción.
Los procesadores de E/S son utilizados en circunstancias muy concretas ya que, aunque son los
más eficientes, también son los más complejos y caros.
Fundamentalmente, se emplean cuando los datos a tratar por el controlador, procedentes del
periférico o del propio procesador, son infinitos y, por tanto, se necesita procesamiento e
inteligencia local para manejarlos sin tener que estar pidiendo ayuda constantemente al
procesador principal del ordenador.
Un ejemplo muy característico es la tarjeta de red o el propio controlador de vídeo del ordenador
(tarjeta gráfica). En el primer caso, por citar un ejemplo, la cantidad de datos que llega a la tarjeta
es infinita. Constantemente llegan datos, pero solo una porción de ellos es para el procesador, la
mayor cantidad de los datos que viajan por la red corresponden a otras comunicaciones
presentes en la red, o señales de alive (acuse de vida). Es importante que estas señales sean
procesadas directamente por la tarjeta de red sin que el procesador sea molestado. Solo se
informa al procesador en caso de existir datos procedentes para nuestro ordenador.
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Procesadores de E/S II
Como puedes comprobar en la figura, los PE/S admiten dos comportamientos diferentes según la
manera de gobernar a los controladores de periféricos. Haz clic sobre las cajas granate en el
siguiente gráfico para ampliar la información sobre dichos comportamientos.
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Resumen
En este tema hemos visto cuáles son las técnicas que se utilizan para la comunicación de un
computador actual con el mundo exterior. Una comunicación que puede ser:
Hacia el humano por medio del teclado, ratón, impresoras, etc.
Contra otras máquinas como la tarjeta de red, etc.
Se han desglosado los cuatro modos principales de entrada salida:
E/S controlada por programa.
E/S controlada por interrupciones.
Acceso directo a memoria (DMA).
Procesadores de E/S.
Y se han comparado las ventajas e inconvenientes de cada uno de los métodos.
Además, hemos analizado el hardware que necesita cada uno de ellos y las mejoras que, en la
estructura clásica de un computador, necesitan para ser implementados.
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